Matériaux quantiques et fonctionnels (QFM)
Ce thème est centré sur les matériaux dont les propriétés physiques/optiques sont caractérisées par la compétition ou la coopération de différentes interactions pertinentes (électron-électron, électron-réseau, interactions ioniques, magnétiques, spin-orbite…) qui, en raison des particularités du matériau, agissent à des échelles d’énergie similaires (faibles). La conséquence directe est l'émergence d'ordres multiples (de spin, de charge, orbitaux, de réseau...) – et parfois d'ordres simultanés – dont l'apparition peut être modulée par un paramètre tel que la composition, la contrainte, la pression, le champ électrique et/ou magnétique, ou, comme dans les nouvelles hétérostructures de matériaux 2D, par divers degrés et natures de couplage intercouche. Dans la majorité des cas, le réglage d’un tel paramètre a un lien direct avec, ou une incidence sur, la structure de bande du matériau, le remplissage des bandes, la densité d’états et les amplitudes de couplage. L'importance capitale de la topologie de la structure de bande a été mise en évidence au début des années 2000 : des changements topologiques peuvent être induits par le réglage des paramètres, ainsi que par l'ingénierie des matériaux. De nos jours, les paramètres incluent tous ceux mentionnés ci-dessus, mais aussi l'architecture des dispositifs. L'apparition d'états quantiques cohérents, tels que la supraconductivité, autour des points critiques (quantiques) du système est systématique.
Comme ils constituent un banc d'essai privilégié pour les idées et théories générales sur le comportement de la matière (condensée), l'un des impacts de la QFM est très clairement académique. Cependant, la possibilité de basculer entre des états ordonnés, et donc entre différents types de réponses physiques, optiques et mécaniques, leur sensibilité aux paramètres externes ainsi qu'aux impuretés, et l'apparition d'états quantiques cohérents (supraconductivité, états de Hall quantique, liquides de spin quantiques, états topologiques de bord…) ouvrent la perspective de vastes domaines d’applications futures en tant qu’éléments actifs dans l’électronique (quantique), dans l’électronique neuromorphique plus économe en énergie que les circuits classiques de « von Neumann », en tant que capteurs (quantiques), ainsi que dans l’optique (quantique), la photonique et les communications. Enfin, le couplage entre les ordres physiqueset le réglage fin des paramètres peut rendre bon nombre de ces matériaux particulièrement utiles pour des applications énergétiques et mécaniques spécifiques (thermoélectriques, piézoélectriques…). De plus, les dispositifs magnétiques et supraconducteurs ont des applications importantes dans les (télé-)communications, l’informatique (quantique), la santé, l’environnement, la sécurité et l’énergie.
Au vu de ce qui précède, la synthèse des matériaux et le contrôle précis de leur composition, de leur pureté, de leur contrainte (et donc de leur épitaxie / microstructure) apparaissent immédiatement comme un enjeu majeur, sinon le plus important, dans ce domaine. 2IM mettra donc l'accent sur le développement de techniques de croissance pour des QFM monocristallins ultra-purs adaptés à la recherche universitaire en laboratoire ainsi qu'aux installations à grande échelle, et sur la déclinaison de ces matériaux sous forme de films minces et de nanomatériaux (action ii). La croissance de films minces à l'aide de systèmes à haut débit peut permettre l'exploration efficace d'une large gamme de compositions et de contraintes. La participation de grandes installations locales et d'acteurs industriels permettra la synthèse, le traitement et l'intégration de QFM dans des capteurs, des circuits et d'autres systèmes hautement sensibles, avec un impact significatif attendu sur le développement de dispositifs neuromorphiques et quantiques (puissants et plus économes) (actions ii et iii). Le champ d'application de la QFM est élargi par l'intégration de fonctionnalités conçues à plusieurs échelles, y compris des processus au niveau atomique tels que l'ALD, l'auto-assemblage et la micro- et nanostructuration. Le développement synergique (à l'UPSaclay) de techniques de croissance et de transfert pour les matériaux 2D / hétérostructures constitue un troisième domaine d'intérêt crucial, avec une centaine de chercheurs locaux identifiés répartis dans une quinzaine d'équipes. La croissance de la QFM sur des substrats courants tels que le Si constitue un autre enjeu majeur pour l’intégration des dispositifs.
L'action de 2IM sur les QFM sera développée en synergie avec des acteurs industriels locaux tels que Thales (via le CNRS), Horiba (via le CNRS), Daumet (via le CNRS)…